葉建林，紀騰飛，崔愛斌，張 強

(西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201)

?

小彎曲半徑薄壁純鋯U形管彎制模具的研制

葉建林，紀騰飛，崔愛斌，張 強

(西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201)

薄壁純鋯U形管在彎制過程中容易產(chǎn)生橢圓度、回彈、劃傷以及彎管內(nèi)弧褶皺等現(xiàn)象，為了實現(xiàn)小彎曲半徑薄壁鋯管的彎制成形，根據(jù)U形管的彎制特點，并結(jié)合實際彎制經(jīng)驗，設(shè)計并制作了U形管的彎制模具。該彎制模具主要采用繞管方式進行彎制，U形管一端固定，另一端進行彎制。彎制試驗結(jié)果表明，該彎制模具能夠制作彎曲半徑為50 mm和105 mm的φ25.4 mm×1.24 mm薄壁鋯U形管，彎制后的U形管成形狀態(tài)良好，檢測結(jié)果均能滿足GB 151—1999標準及設(shè)備生產(chǎn)工藝的要求，并能有效地保證彎管質(zhì)量。

薄壁純鋯；小彎曲半徑；U形管；彎制模具

0 引 言

U形換熱器是在石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用的典型設(shè)備，隨著石油化工裝置、核電技術(shù)的發(fā)展，U形管換熱器以其換熱性能好、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點得到更廣泛應(yīng)用[1]。而工業(yè)純鋯在大多數(shù)有機酸、無機酸、強堿和一些熔融鹽中，具有良好的耐腐蝕性,同時又具備良好的可加工性和可焊性，近年來被廣泛用做醋酸、農(nóng)藥等行業(yè)的壓力容器。由于鋯材價格較高，為了降低設(shè)備的制造成本，同時也為了提高換熱器的換熱效率，盡量減薄換熱管材的壁厚，這就使得U形管的彎制成為換熱設(shè)備制造的難點和關(guān)鍵點。

由于在換熱器工作過程中具有一定壓力和溫度的工作介質(zhì)(腐蝕介質(zhì))要通過U形管，且U形管彎曲段要承受工作介質(zhì)不斷沖刷作用，因此，U形管成為換熱器最易失效的部分，而U形管的彎曲段又是U形管最薄弱的環(huán)節(jié)。另外U形管交錯焊接在管板上，彎曲半徑小的U形管被彎曲半徑大的U形管包圍著，一旦小彎曲半徑U形管出現(xiàn)泄漏，需將外圍的U形管拆除后進行修補，這樣小彎曲半徑的U形管壽命就更為重要，也就是說該U形管換熱器制作的關(guān)鍵是小彎曲半徑薄壁純鋯U形管的彎制。

圖1和圖2給出了某單位U形管換熱器簡圖及U形管彎曲半徑及尺寸示意圖。該設(shè)備純鋯U形管的尺寸為：φ25.4 mm×1.24 mm；彎曲半徑為50 mm至450 mm共8種規(guī)格。由于鋯材在高溫下極易氧化，因此彎制宜采用冷彎。目前國內(nèi)關(guān)于鋯材U形管彎制的研究未見報道。本公司使用傳統(tǒng)的雙輥法彎制，較大彎曲半徑的U形管還可以，但是彎制彎曲半徑為105 mm和50 mm的U形管出現(xiàn)了嚴重的內(nèi)弧褶皺和橢圓度超標等問題，為此，研制了小彎曲半徑的U型管彎制模具，以保證小彎曲半徑U形管彎制質(zhì)量，從而確保換熱設(shè)備的使用壽命。

圖1 換熱器簡圖

圖2 U形管彎曲半徑示意圖

1 彎制難點分析

U形管彎曲半徑R與換熱管的外徑比值R/Do越小，U形管彎曲成形越困難。在GB 151—1999《管殼式換熱器》中規(guī)定：U形管彎曲半徑R應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑。而本實驗研制的換熱器換熱管材的規(guī)格直徑為25.4 mm，兩倍大于U形管彎曲半徑，其彎曲難點分析如下：

(1)橢圓度 根據(jù)GB 151—1999 的規(guī)定：U形管彎曲段圓度偏差應(yīng)不大于換熱管名義外徑的10%；但彎曲半徑小于2.5倍換熱管名義外徑可按15%驗收。因此，本實驗彎制的R為50 mm的U形管橢圓度可按15%驗收[2]。U型管彎制過程是一個復(fù)雜的彈塑性變形過程，管材變形程度除了與材料本身物理性能有關(guān)，還與施加在管材上的載荷大小方向有關(guān)[3]。無論何種彎制方法，管材的橫向截面上都會產(chǎn)生不同程度的橢圓度。橢圓度過大將會影響管材彎曲段的使用性能，且壁厚越薄，彎曲段橢圓度越難控制。因此模具設(shè)計應(yīng)考慮橢圓度的控制，通過調(diào)整模具彎制段與管外壁貼合部分的形狀，來控制彎制過程中的橢圓度。

(2)回彈 由于鋯材彈性模量低，回彈量較大，因此管材彎制后會不可避免地出現(xiàn)回彈。為了保證彎制U形管尺寸滿足設(shè)備尺寸要求，模具設(shè)計要考慮彎曲段回彈的角度和尺寸變化。

(3)劃傷 由于管材與模具的配合存在公差，管材會在彎制的過程中與模具表面出現(xiàn)摩擦，加之管材外壁受拉應(yīng)力作用，U形管外壁易出現(xiàn)劃傷，降低換熱器的使用壽命，這也是模具設(shè)計中應(yīng)考慮的。

(4)內(nèi)弧褶皺 彎制U形管的過程中管內(nèi)側(cè)承受切向壓應(yīng)力，彎制后內(nèi)壁厚度會增厚。但是，如果管壁所承受的軸向壓應(yīng)力超出了材料允許的剛性極限值，會產(chǎn)生失穩(wěn)并且出現(xiàn)波浪形褶皺，對于小彎曲半徑薄壁U形管，這種現(xiàn)象尤為嚴重。因此模具應(yīng)增加彎曲段內(nèi)側(cè)的摩擦力，避免內(nèi)側(cè)起皺而報廢[4]。

2 模具設(shè)計與制作

為了實現(xiàn)小彎曲半徑薄壁鋯U形管的彎制成形，并保證彎制的U形管能夠滿足換熱器的尺寸要求，根據(jù)工業(yè)純鋯的材料特點，結(jié)合其他金屬材料管材的彎制經(jīng)驗，本公司工程技術(shù)人員設(shè)計了針對薄壁工業(yè)純鋯管彎制小彎曲半徑U形管的模具，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。該彎制模具的彎制方式主要采用繞管式彎制。

圖3 U形管彎制模具簡圖

2.1 轉(zhuǎn)盤與夾持塊

圖4 轉(zhuǎn)盤與夾持塊示意圖

轉(zhuǎn)盤與夾持塊示意圖見圖4。轉(zhuǎn)盤的內(nèi)徑D決定了U形管彎曲半徑的尺寸，由于需要控制回彈量，在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上，確定轉(zhuǎn)盤的內(nèi)徑D按照下式計算：

D=1.6R-Do

式中：R為U形管彎曲半徑；Do為U形管外徑。

轉(zhuǎn)盤與夾持塊之間的間隙若不合適，易出現(xiàn)管子外壁裂紋，內(nèi)管起皺和橢圓度超差等現(xiàn)象，經(jīng)過查閱資料，反復(fù)試驗和測算，最終確定間隙C為1 mm[3]。

2.2 防皺塊

防皺塊與轉(zhuǎn)盤示意圖見圖5。防皺塊必須保證與轉(zhuǎn)盤內(nèi)壁和U形管外壁緊密貼合，以保證U形管外壁不出現(xiàn)軸向滑動，由于防皺塊與轉(zhuǎn)盤配合面為曲面，因此采用數(shù)控加工中心進行加工，以保證其配合面的尺寸精度。

圖5 防皺塊與轉(zhuǎn)盤示意圖

2.3 U形管彎制

U形管彎制示意圖見圖6。采用雙向不銹鋼制作了彎曲半徑為50、105 mm的U形管彎制模具。U形管彎制是用夾持塊(3)與轉(zhuǎn)盤(5)夾緊U形管直管段，滑動塊(2)與防皺塊(6)對彎制段進行限位，彎制時使用工具推動轉(zhuǎn)盤圍繞其圓心順時針旋轉(zhuǎn)180°，并由此拉動管子沿轉(zhuǎn)盤半圓凹槽成形?；瑒訅K所固定管段長度即為所需U形管直管長度，通過調(diào)整固定卡具寬度可確定彎制角度，控制回彈量。

圖6 U形管彎制示意圖

3 彎制試驗與分析

3.1 彎制試驗

本研究進行了兩種狀態(tài)的φ25.4 mm×1.24 mm工業(yè)純鋯管彎制試驗。其試件編號和管材的主要參數(shù)及性能見表1，彎制的U形管尺寸測量示意圖見圖7。

表1 彎制試驗工業(yè)純鋯管材參數(shù)

圖7 彎制的U形管尺寸測量示意圖

彎制前，在模具與U形管接觸的內(nèi)表面上覆蓋塑料薄膜防止管材劃傷，管內(nèi)填充細砂進行支撐，彎制速度盡量緩慢。

3.2 試驗結(jié)果與分析

彎制的U形管宏觀照片見圖8，尺寸測量結(jié)果見表2。由圖8可見，彎制的U形管內(nèi)弧段均勻光滑，未見褶皺和波浪；外弧均勻光滑無劃痕。由表2可見，2支不完全退火態(tài)的管材，彎曲半徑為50 mm，彎曲半徑的誤差為1%和2%，橢圓度為9.0%和6.3%，遠低于GB 151—1999 的規(guī)定值。但是這兩支管的狀態(tài)并不是某單位設(shè)備要求的狀態(tài)，彎制試驗的目的是為了獲取不同狀態(tài)的鋯管材的彎曲數(shù)據(jù)。完全退火狀態(tài)的管材：彎曲半徑為50 mm的，彎曲半徑誤差為1%～2%，符合設(shè)備的組裝要求，橢圓度在12.8%～13.3之間，低于GB 151—1999規(guī)定的最大值15%；彎曲半徑為105 mm的，彎曲半徑的誤差僅為0.4%～0.9%，橢圓度也比較小，在2.7%～4.3%之間。

圖8 彎制的純鋯U形管的照片

表2 彎制的純鋯U形管尺寸測量結(jié)果

彎曲半徑為50 mm的不完全退火態(tài)U形管最大橢圓度遠小于完全退火態(tài)，主要是因為其抗拉強度和非比例延伸強度高于完全退火態(tài)的鋯管，彎制時變形抗力較大，在相同彎制條件下，徑向的變形量較小。此結(jié)果僅針對于U型管彎制工序來說是有利的，在設(shè)備實際應(yīng)用中，由于鋯材在工作介質(zhì)中會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，出于耐蝕性的考慮，換熱設(shè)備必須使用完全退火態(tài)的鋯管[5]。

3.3 模具及彎制工藝改進思路

通過小彎曲半徑薄壁純鋯U形管彎制試驗及結(jié)果分析，提出以下兩點改進思路。

(1)預(yù)橢圓度反變形 改變夾持端的圓形截面形狀，使之呈橢圓形，橢圓形的長短軸與彎制形成的長短軸相反，這樣在彎制過程中，U形管內(nèi)弧段將與夾持端緊密貼合，形成與彎制橢圓度相反的變形，達到減少彎制橢圓度的目的。

(2)增加填充砂的強度 可以使用粗細混合砂進行填充，在彎制過程中，細砂將自由流動填滿粗砂的空隙，提高U形管內(nèi)壁的支撐力，從而減少彎制橢圓度。

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計制作的U形管彎制模具，用來彎制彎曲半徑為50 mm和105 mm的φ25.4×1.24mm薄壁純鋯U形管，完全能夠滿足GB 151—1999標準及設(shè)備生產(chǎn)工藝的要求，制作的換熱設(shè)備從2014年使用至今運行良好，尚未出現(xiàn)任何問題。

[1] 王中武.U形管式換熱器換熱管的彎制工藝[J].化工機械,2000,27(4):230-238.

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.NB/T 47014—2010 鋯制壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2010.

[3] 孟靜,趙新愛,吳勝敏,等.U型換熱管的彎制工藝研究[J] .化工裝備技術(shù),2010,31(2):37-39.

[4] 張方正.小彎曲半徑U形管彎制工藝及質(zhì)量控制[J].安慶石化,1993(1):36-37.

[5] 全國壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB 151—1999 管殼式換熱器[S].北京：中國標準出版社，1999.

國內(nèi)外新聞

超彈性Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金的馬氏體相變研究

馬氏體β型Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金(Ti2448合金)在室溫下表現(xiàn)出良好的超彈性能，可回復(fù)應(yīng)變可達3.3%，明顯高于Ti-6Al-4V合金和Ti-Nb二元超彈性合金。

法國學者Y.Yang等利用拉伸試驗、原位同步輻射X射線衍射(SXRD)、動態(tài)力學分析技術(shù)(DMA)研究了超彈性Ti2448合金的馬氏體相變。實驗材料為φ55 mm的Ti2448合金鍛棒，將棒材切成片后冷軋成0.5 mm厚的板材(不經(jīng)中間退火)，之后對板材進行兩種制度的熱處理，一種是在高真空條件下進行900 ℃×30 min/WQ的固溶處理(ST)；另一種是進行700 ℃×3 min/AC的短時處理(FT)。熱處理后用50%HF+50%HNO3(體積分數(shù))的混酸溶液去除試樣表面氧化層。

當淬火后Ti2448合金室溫組織為亞穩(wěn)β相時，可表現(xiàn)出超彈性能。奧氏體β相和馬氏體α″相之間發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變(SIM相變)，由于是可逆轉(zhuǎn)變，當外力釋放時，彈性回彈較大。

為了更精確地描述試樣的超彈性，在同一試驗機上對試樣進行循環(huán)加載拉伸試驗。拉伸試驗結(jié)果表明：Ti2448合金的楊氏模量低，拉伸強度高，超彈性能好，因此可以被用來制作生物醫(yī)用材料中的人體骨關(guān)節(jié)。所有拉伸曲線均出現(xiàn)雙屈服現(xiàn)象，說明ST和FT試樣都發(fā)生了應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變，導(dǎo)致馬氏體相變的臨界應(yīng)力分別為(410±10) MPa、(440±10) MPa，可恢復(fù)應(yīng)變分別為2.3%、2.75%，表現(xiàn)出超彈性效應(yīng)。

對于超彈性合金，應(yīng)力釋放后SIM相變的可逆性使得對SIM相變的研究具有一定的挑戰(zhàn)性，所以作者利用原位試驗來描述加載條件下的SIM相變。實驗室中使用的常規(guī)X射線源波長較長，且同時存在Kα1和Kα2波長，所以難以區(qū)分β相和α″相的衍射峰。同步輻射X射線衍射(SXRD)則因為波長較短，單色性更好，是研究SIM相變一個非常有效的方法。為了得到不同變形階段β相和α″相的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變特征和結(jié)晶學特征，在循環(huán)加載拉伸試驗過程進行原位SXRD分析。結(jié)果顯示，加載和卸載條件下均有典型的β相和α″相衍射峰，ST和FT試樣的β相和α″相都發(fā)生了可逆轉(zhuǎn)變。從SXRD分析和拉伸結(jié)果可建立如下的加工工序：①對ST合金進行1.5%～2%的彈性變形，F(xiàn)T合金進行2%～2.5% 的彈性變形；②由于SIMα″相變的協(xié)調(diào)作用，ST合金彈性變形量可增大至4.5%，F(xiàn)T合金彈性變形量可增大至5%；③變形量繼續(xù)增大時，β相和α″相均承受塑性變形。

通過DMA試驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，阻尼系數(shù)tanδ增加(存在明顯的峰值)，動態(tài)彈性模量下降，說明發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。對相變溫度參數(shù)(Ms、Mmax、Af和Amax)關(guān)于施加應(yīng)力的函數(shù)進行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)線性擬合結(jié)果良好，與Clausius-Clapeyron 方程具有較高的一致性。

張永強譯自《Acta Materialia》

二元Ti-Zr合金微觀結(jié)構(gòu)和形狀記憶效應(yīng)

近年來,新型鈦基無鎳合金以其良好的生物相容性、耐腐蝕性、低彈模、高相變溫度等特性成為了形狀記憶合金領(lǐng)域的研究重點。

北京航空航天大學李巖等人采用X射線衍射、金相、透射電鏡、差示掃描量熱分析、壓縮應(yīng)力-應(yīng)變實驗等方法系統(tǒng)研究了TixZr100-x(x=20、30、50、70、80，原子分數(shù))合金的微觀組織結(jié)構(gòu)、相變特性、力學性能及形狀記憶效應(yīng)。

研究結(jié)果表明:二元Ti-Zr合金是一種典型的高溫形狀記憶合金,室溫下為具有孿晶結(jié)構(gòu)的單一hcp-α′馬氏體相,晶格常數(shù)和晶胞體積都會隨Zr原子含量增加而增大;合金具有從母相到hcp-α′馬氏體的可逆相變,相變溫度隨Zr原子含量增加先降低后增大,在Zr的原子分數(shù)約為50%時,馬氏體相變起始溫度最低,約為520 ℃;合金的屈服強度隨Zr原子含量增加而增大,在Zr的原子分數(shù)約為50%時達到最大值(955 MPa),然后隨Zr原子含量增加而下降;不同成分合金均具有形狀記憶效應(yīng),其中Ti70Zr30合金的記憶效應(yīng)最大,為1.7%。

摘自《稀有金屬》

國內(nèi)外新聞

VSMPO-AVISMA公司預(yù)計2015年凈利潤有望達到200億盧布

2015年1～6月，俄羅斯VSMPO-AVISMA公司實現(xiàn)收入310億盧布，較2014年同期增長了27%。凈利潤為96億盧布，較去年同期增加了50億盧布。

據(jù)VSMPO-AVISMA公司新聞服務(wù)部透露，如果2015年美元匯率不出現(xiàn)急劇增長的情況，預(yù)計公司2015年收入將達到676億盧布，凈利潤達到200億盧布。

2015年，VSMPO-AVISMA公司計劃生產(chǎn)鈦產(chǎn)品2.88×104t，產(chǎn)品銷售總額可達到670億盧布。

何蕾編譯自俄羅斯生意新聞網(wǎng)

VSMPO-AVISMA公司收到澳大利亞供應(yīng)的3萬噸鈦原料

據(jù)俄羅斯生意新聞網(wǎng)2015年8月5日報道，由澳大利亞向VSMPO-AVISMA公司供應(yīng)的首批質(zhì)量達3×104t的鈦鐵礦已送達新羅西斯克港口，在該港口進行分裝后(每批質(zhì)量為1 800 t)，由海河船舶沿伏爾加河和卡馬河運至列茲尼基市。

VSMPO-AVISMA公司董事長 Mikhail Voevodin講到，VSMPO-AVISMA公司從多國采購原料主要是為了預(yù)防政治風險與經(jīng)濟風險。2015年，公司大概有40%的原材料來自烏克蘭，40%來自澳大利亞，20%來自其他國家和地區(qū)。目前，公司共有10家原材料供應(yīng)商。

何蕾編譯自俄羅斯生意新聞網(wǎng)

VSMPO-AVISMA公司已做好向造船業(yè)供應(yīng)鈦制品的準備

俄羅斯VSMPO-AVISMA公司參加了在圣彼得堡市舉辦的第七屆俄羅斯國際海事防務(wù)展，并展出了可在造船業(yè)中使用的相關(guān)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可完全替代國外同類產(chǎn)品。俄羅斯所有的主要造船設(shè)計部門都對VSMPO-AVISMA公司展出的產(chǎn)品表現(xiàn)出極大的興趣，公司先后與普羅米修斯結(jié)構(gòu)材料研究院、波羅的海造船廠等進行了洽談。VSMPO-AVISMA公司機械制造銷售部總監(jiān)Yulia Shashkova講到，VSMPO-AVISMA公司幾乎參與了所有需要高強、輕質(zhì)、耐腐蝕材料的軍用及民用船舶項目。并且，鈦是制造具有高速、易操作性特點的突擊登陸艇以及具有高耐沖擊負荷特點的核動力破冰船的復(fù)合材料外殼的理想材料。

此外，展會期間，VSMPO-AVISMA公司與聯(lián)合造船企業(yè)(USC)就長期合作進行了深入洽談。USC公司透露了未來幾年的發(fā)展計劃，烏拉爾公司也將據(jù)此進行相應(yīng)調(diào)整，以期雙方未來開展合作。

何蕾編譯自俄羅斯生意新聞網(wǎng)

ATI公司及其子公司2015年第2季度經(jīng)營狀況

美國ATI公司2015年第2季度(2015年4月1日至6月30日)銷售額為10.23億美元，與2014年同期的11.19億美元相比減少了8.6%；營業(yè)利潤為3 920萬美元，與2014年同期的6 520萬美元相比減少了39.88%。

表1 ATI公司及其子公司2015年第2季度經(jīng)營狀況

注：統(tǒng)計數(shù)據(jù)截至2015年6月30日。

何蕾編譯自美國ATI公司官網(wǎng)

Development of Bending Die for Thin-walled Pure Zirconium U Shape Tubes with Small Bending Radius

Ye Jianlin，Ji Tengfei，Cui Aibin，Zhang Qiang

(Western Metal Materials Co., Ltd.,Xi’an 710201, China)

It is easy to ellipse, rebound, scratch and internal fold during the bending process of thin walled pure zirconium U shape tube. In order to bend of thin-walled pure zirconium tube with small bending radius, the bending die of U shape pipe is designed according to the characteristics and experience of U shape tube bending. The bending die was functioned in the way of winding, the end of the U shape tube was fixed and the other end was used to bend. The results of bending test show that the die can bendφ25.4 mm×1.24 mm thin walled pure zirconium U shape tubes with bending radius of 50 mm and 105 mm. The U shape tubes have good forming condition, and test results can meet the requirements of GB 151—1999 standard and production process of equipment, and also can ensure the quality of tube effectively.

thin-walled pure zirconium；small bending radius；U shape tube；bending die

2015-09-10

葉建林(1971—)，男，工程師。